某型渦槳發(fā)動機停車后復燃故障分析與解決

　　摘要：本文針對外場發(fā)現(xiàn)的1臺渦槳××發(fā)動機停車后復燃故障，對故障部位結(jié)構(gòu)原理進行了分析，建立故障樹，經(jīng)飛參判讀復查、燃油系統(tǒng)分析、燃油供油調(diào)節(jié)裝置分解檢查，初步確定故障原因為接停車電磁活門的導線絕緣層存在裂紋。通過故障機理分析及故障實驗驗證，準確定位故障原因，采取有效措施對故障進行歸零。最后對外場使用的安全性進行了分析，并制定了糾正措施。

　　關(guān)鍵詞：渦槳發(fā)動機;復燃;裂紋;燃油;供油調(diào)節(jié);故障

　　0引言

　　航空發(fā)動機是飛機的動力裝置，是核心部位之一。航空發(fā)動機導線表面絕緣要求極高，航空發(fā)動機導線的絕緣故障問題一直影響著航空飛行器的安全使用。據(jù)統(tǒng)計，一架現(xiàn)代殲擊機使用線纜長達5~10km，一架大型運輸機線纜總長度達250km[1]。

　　在飛行過程中，導線絕緣一旦發(fā)生了問題導致短路，就可能會向航空發(fā)動機控制系統(tǒng)發(fā)送錯誤的指令，達到一定程度時甚至可造成航空發(fā)動機停車后復燃，如果沒有及時進行滅火，會導致航空發(fā)動機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到嚴重損傷甚至報廢，對飛行安全構(gòu)成嚴重的威脅。航空發(fā)動機控制導線在工作過程中，其絕緣介質(zhì)會不可避免的受到熱、電、磁、化學、機械等諸多因素影響，如果短路或者斷路，就會導致發(fā)動機控制系統(tǒng)無法按照規(guī)律執(zhí)行控制命令甚至執(zhí)行錯誤的命令。

　　目前，航空發(fā)動機的導線絕緣性能問題已經(jīng)引起了世界航空大國的廣泛關(guān)注和重視。多起航空事故均與航空發(fā)動機控制導線意外短路有關(guān)，已成為威脅航空安全的重要影響因素。本文以某型渦槳發(fā)動機停車后復燃為實例，分析了故障原因，提出改進措施，對深入研究控制導線短路對航空發(fā)動機的危害、改進控制導線絕緣層材料具有借鑒意義。

　　1故障概述

　　近期外場機務人員在進行某型渦槳發(fā)動機地面試車時發(fā)現(xiàn)，停車后4發(fā)尾噴口出現(xiàn)冒煙、噴火，機務人員從尾噴管向發(fā)動機氣流通道內(nèi)噴入了干粉滅火液進行滅火，停車后對發(fā)動機進行檢查，發(fā)現(xiàn)除渦輪葉片處有滑油痕跡外，其他處正常，攀槳檢查時螺旋槳攀槳不動。復查該發(fā)動機地面試車時各項參數(shù)，發(fā)現(xiàn)瞬時耗量顯示異常，油門在65°附近時瞬時耗量顯示比1發(fā)大200～300kg/h，其余參數(shù)無明顯異常。停車過程中，轉(zhuǎn)速下降到12%左右，排氣溫度下降到200℃左右，之后排氣溫度開始上升，最大到279℃，瞬時耗量停車過程中持續(xù)顯示410kg/h。

　　2飛參判讀分析

　　故障發(fā)生后，對飛參數(shù)據(jù)進行了分析，從故障時的飛參數(shù)據(jù)可以看出，在按下停車開關(guān)后，在0:22:40時刻前，1發(fā)和4發(fā)的轉(zhuǎn)速、燃油壓力、排氣溫度同時開始下降，且變化趨勢相同，但在0:22:41時刻以后，燃油壓力和轉(zhuǎn)速下降趨勢仍保持基本相同，而4發(fā)的排氣溫度下降速度低于1發(fā)，甚至在0:22:49達到最低排氣溫度193.7℃后，開始升高，到0:23:35時刻升高至279℃，而1發(fā)在0:22:41時刻后排氣溫度仍繼續(xù)下降，未出現(xiàn)排氣溫度升高的現(xiàn)象。初步分析認為，在停車過程中，當接通停車電磁活門后，油門開關(guān)關(guān)閉，此時，大部分燃油被切斷，燃燒室中的油氣比低于熄火邊界，發(fā)動機熄火。

　　未完全切斷的燃油(以下簡稱異常供油)，繼續(xù)噴入燃燒室，與進入燃燒室的空氣混合后從尾噴管噴出，這時，由于燃燒室熄火，渦輪前溫度快速下降，此時的油氣混合物在渦輪中做功量很小。

　　因此，轉(zhuǎn)速開始下降，發(fā)動機氣流通道中的空氣流量隨著轉(zhuǎn)速的下降快速減少，而隨著轉(zhuǎn)速的下降，燃油壓力先快速下降(約4s)，之后在0.46～0.54MPa維持約46s，當轉(zhuǎn)速低于5.4%后，燃油壓力才繼續(xù)下降，而異常供油與燃油壓力成正比，因此異常供油的下降速度遠低于空氣流量的下降速度，當轉(zhuǎn)速下降至16～20%時，此時的空氣流量與燃油的混合物油氣比達到了可穩(wěn)定燃燒的油氣比范圍，在燃燒室 和渦輪中，此時零件表面溫度仍然很高，這部分燃油與空氣的混合物被零件表面的余溫點燃，造成發(fā)動機停車過程中出現(xiàn)復燃。此時，發(fā)動機的空氣流量已很少，復燃產(chǎn)生的燃氣量也很少，且溫度較低，對渦輪做功量很小，不足以帶動發(fā)動機轉(zhuǎn)子(壓氣機、渦輪、減速器、附件傳動、螺旋槳等)旋轉(zhuǎn)。

　　因此發(fā)動機轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降(下降速度與1發(fā)基本相當)，而隨著轉(zhuǎn)速的下降，空氣流量繼續(xù)減少，而異常供油減少較慢，造成排氣溫度隨著轉(zhuǎn)速的下降先下降后升高，先下降至193.7℃，后升高至279℃。在停車過程中，雖然發(fā)動機中出現(xiàn)了復燃現(xiàn)象，但渦輪后燃氣溫度的溫升較小(最高只升高至279℃)，表明此時燃油系統(tǒng)異常供油量應該較小。

　　3燃油系統(tǒng)原理分析

　　燃油在飛機上由電動增壓泵2抽出，經(jīng)防火開關(guān)3和粗油濾4進入發(fā)動機上的輔助燃油泵6，輔助燃油泵將由電動增壓泵2抽出的燃油增壓后，從輔助燃油泵出口，燃油分為兩路[2]：

　　一路為起動油路，經(jīng)起動供油電磁活門11通到起動噴嘴12。起動供油電磁活門11由起動系統(tǒng)中的自動定時器自動操縱工作，當起動按鈕按下后，經(jīng)9s起動供油電磁活門11打開，燃油進入起動噴嘴12，第25s時起動供油電磁活門11關(guān)閉，停止起動供油。另一路為工作油路，經(jīng)細油濾8和流量表傳感器7進入主燃油泵9。從主燃油泵9出來的高壓燃油，流入燃油調(diào)節(jié)器10，并調(diào)節(jié)至需要的油量流到工作噴嘴13，噴入發(fā)動機燃燒室。調(diào)節(jié)剩余的燃油經(jīng)燃油調(diào)節(jié)器10的回油單向活門流至主燃油泵9的進油口。

　　當發(fā)動機需要停車時，飛行員按下停車按鈕，燃油調(diào)節(jié)器上的停車電磁活門接通，油腔的泄油口打開，油腔中滑油泄油后壓力降低，活塞右側(cè)的壓力減小，彈簧推動活塞向右移動，拉桿與活塞向右移動的過程中，拉動叉形搖臂，叉形搖臂撥動撥桿轉(zhuǎn)動，扭轉(zhuǎn)油門開關(guān)，關(guān)閉限流口，切斷燃油供給，發(fā)動機停車。

　　4故障樹分析

　　4.1建立故障樹

　　針對發(fā)動機停車過程中復燃現(xiàn)象，繪制了故障樹[3]。

　　4.2故障樹分析

　　4.2.1飛機線路異常(短路或斷路)X1

　　故障發(fā)生后，對飛機停車開關(guān)至發(fā)動機主電纜J插頭19#針腳線路進行了檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。更換發(fā)動機后，飛機使用情況良好，未出現(xiàn)類似現(xiàn)象，可排除飛機線路異常X1事件。

　　4.2.2主電纜線路異常(短路或斷路)X2

　　發(fā)動機返廠后，對主電纜分解檢查，發(fā)現(xiàn)停車電磁活門線路670mm處有半圈裂紋。分析認為，在停車過程中，停車電磁活門線路處于通電狀態(tài)，接停車電磁活門的導線在發(fā)動機振動下，裂紋處導線線芯可能會與導線外部的防波管短時接通，造成接停車電磁的線路短路，停車電磁活門斷電，發(fā)動機油門開關(guān)會打開，燃調(diào)在停車過程中向發(fā)動機繼續(xù)供油。因此，停車電磁活門線路670mm處有半圈裂紋，在發(fā)動機工作過程中可能會造成停車電磁的線路短路，不能排除主電纜線路異常(短路或斷路)X2事件。

　　4.2.3燃調(diào)單向活門卡滯，無法關(guān)死X3

　　根據(jù)燃調(diào)試驗器試驗結(jié)果，在慢車轉(zhuǎn)速下，接通停車電磁活門，燃調(diào)單向活門出口的漏油量合格，如果單向活門無法關(guān)死，那么在燃油壓力下降至0MPa以前，燃油會通過節(jié)流開關(guān)間隙、單向活門、工作噴嘴噴入燃燒室，與空氣進行混合，當混合的油氣達到合適的油氣比后，可能會被燃燒室或渦輪中的余溫點燃，從而造成發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速時復燃。燃調(diào)進行分解檢查，分解燃調(diào)單向活門組件，單向活門打開壓力、密封性合格，且零件外觀檢查良好，未出現(xiàn)卡滯痕跡。因此，可以排除燃調(diào)單向活門卡滯，無法關(guān)死X3事件。

　　4.2.4燃調(diào)油門開關(guān)卡滯，關(guān)閉不到位X4

　　如果油門開關(guān)關(guān)閉不到位，那么在停車過程中，燃油壓力和燃油流量下降速度較慢，而從飛參數(shù)據(jù)可以看出，在剛按下停車按鈕4s內(nèi)，發(fā)動機的燃油壓力迅速下降，且下降速度與1發(fā)基本相同，表明油門開關(guān)已正常關(guān)閉。

　　如果油門開關(guān)未完全關(guān)閉，那么從油門開關(guān)處流出的燃油將遠大于油門開關(guān)與油門開關(guān)襯套間隙(實測配合間隙0.011～0.014mm)的泄漏量，在慢車轉(zhuǎn)速或接近慢車轉(zhuǎn)速下即可達到穩(wěn)定燃燒的油氣比，排氣溫度將在更高的轉(zhuǎn)速時就開始升高，且發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降速度會慢于1發(fā)，而實際兩臺發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降速度基本相同。直到轉(zhuǎn)速達到16～20%時，發(fā)動機排氣溫度下降速度開始慢于1發(fā)，分析認為此時出現(xiàn)了復燃現(xiàn)象，且復燃后渦輪后燃氣溫度最高只達到279℃，表明此時燃油量較少。

　　正常情況下，當燃油壓力低于0.451MPa時，因單向活門關(guān)閉，此時即使油門開關(guān)打開，燃油也無法進入燃燒室，此時火焰應熄滅，渦輪后燃氣溫度應逐漸下降。但發(fā)動機在燃油壓力低于0.24MPa以下時，排氣溫度仍在上升，且停轉(zhuǎn)后仍出現(xiàn)了復燃現(xiàn)象，與故障現(xiàn)象不一致。燃調(diào)試驗器結(jié)果表明，燃調(diào)油門開關(guān)能夠正常關(guān)閉，關(guān)閉后泄漏量滿足技術(shù)文件的要求，燃調(diào)分解檢查結(jié)果表明，停車電磁活門性能合格，油門開關(guān)移動、轉(zhuǎn)動靈活，表面無劃傷，未發(fā)現(xiàn)卡滯跡象。因此，可排除油門開關(guān)卡滯，關(guān)閉不到位X4事件。

　　4.2.5燃調(diào)油門開關(guān)泄漏量過大X5

　　燃調(diào)在燃調(diào)試驗器試驗上，檢查油門開關(guān)的泄漏量(在慢車轉(zhuǎn)速，接通停車電磁活門，檢查單向活門出口的泄漏量)，油門開關(guān)關(guān)閉時泄漏量均在規(guī)定范圍內(nèi)。分解檢查燃調(diào)節(jié)流開關(guān)組件，節(jié)流開關(guān)襯套密封圈外觀良好，節(jié)流開關(guān)組件間隙、壓差活門組件間隙、壓差回油活門間隙均在合格范圍內(nèi)，因此，可排除油門開關(guān)泄漏量大X5事件。

　　4.2.6停車放油腔內(nèi)活塞卡滯

　　X6正常情況下，當停車電磁活門接通時，燃調(diào)中油腔放油，拉桿將叉形搖臂拉至最右端，叉形搖臂帶動撥桿旋轉(zhuǎn)，將放油開關(guān)關(guān)閉。如果放油腔內(nèi)活塞在右移的過程中出現(xiàn)卡滯，那么油門開關(guān)將無法關(guān)死。在停車過程中，油門開關(guān)無法關(guān)閉，燃油流量始終維持在慢車燃油流量，發(fā)動機轉(zhuǎn)速不會下降，會出現(xiàn)按停車按鈕無法停車的現(xiàn)象。燃調(diào)分解檢查停車電磁活塞及襯套外觀良好，間隙合格，工作面無劃傷，停車電磁活塞移動、轉(zhuǎn)動靈活。因此，可排除燃調(diào)停車放油腔內(nèi)活塞卡滯X6事件。

　　4.2.7起動切油分流活門泄漏量大

　　X7如果在起動過程中，按下起動切油開關(guān)時，如果切油分流活門卡滯在打開狀態(tài)，那么起動切油分流活門將不再起作用，此時切油路將的通斷將只由起動切油電磁閥控制。理論上來說，在燃調(diào)中，燃油可從油孔、切油電磁閥、切油分流活門和節(jié)流嘴才能達到單向活門前，但在該油路中，有一個回油單向活門，其打開壓力為39.2kPa。

　　因此，在停車后，油門開關(guān)關(guān)閉，當接通起動切油電磁閥，從該油路達到單向活門前的油壓最大為39.2kPa，遠低于單向活門的打開壓力。在這種情況下，即使起動切油分流活門卡滯，且按下了起動切油按鈕，但由于從切油分流活門達到單向活門前的壓力過低，無法打開單向活門。燃調(diào)試驗器試驗時，起動切油電磁閥工作正常，分解檢查切油分流活門，無異常磨痕，表明切油分流活門未出現(xiàn)卡滯故障。因此，可排除起動切油分流活門泄漏量大X7事件。

　　4.2.8起動供油電磁活門油路無法關(guān)死X8經(jīng)咨詢機組人員，在停車過程中，機組未按下起動按鈕向起動供油電磁閥供電。起動供油電磁閥返廠檢查結(jié)果表明，起動供油電磁閥能夠正常打開關(guān)閉，斷電狀態(tài)，無泄漏;對起動供油電磁閥進行分解檢查，相關(guān)零組件工作表面狀態(tài)良好，尺寸計量結(jié)果合格，未發(fā)現(xiàn)異常。因此可排除供油電磁活門故障導致起動供油路無法關(guān)死X8事件。

　　4.2.9誤按起動按鈕X9經(jīng)對試車人員進行咨詢，停車過程中未按下起動按鈕。對飛參中的停車開關(guān)信號進行飛參判讀，停車過程中停車電磁活門始終處于接通狀態(tài)，表明停車過程中未按起動按鈕。因此，可排除誤按起動按鈕X9事件。

　　4.2.10飛機起動供油線路異常供電X10故障發(fā)生后，對飛機上起動供油電磁閥相關(guān)控制線路的導通性、絕緣性進行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。飛機4發(fā)位更換發(fā)動機后工作正常，可排除飛機線路異常供電X10事件。

　　4.2.11主電纜

　　F5-2線路異常得電X11主電纜上的F5-2線路與起動供油電磁活門連接，對該導線進行分解檢查，該導線絕緣層良好，未發(fā)現(xiàn)異常，因此，可排除主電纜F5-2線路異常得電X11事件。通過對故障樹中11個事件進行分析，除主電纜線路異常(短路或斷路)X2事件無法排除外，其余10個事件可以排除。

　　5故障機理分析

　　從故障樹分析結(jié)果可以看出，主電纜上的接停車電磁活門的導線存在裂紋，可能導致發(fā)動機停車過程中停車電磁活門短路，造成發(fā)動機停車過程中誤供燃油。下面針對導線裂紋造成發(fā)動機停車復燃的機理進行分析。發(fā)動機停車時，由試車人員按下停車開關(guān)，飛機上的電門處于停車位置，機上的電源將通過發(fā)動機主電纜插頭針腳、接停車電磁活門的導線，接通停車電磁活門。燃調(diào)切斷燃油供給，燃燒室熄火，發(fā)動機停車。

　　由于發(fā)動機主電纜中接停車電磁活門的分支電纜內(nèi)部導線絕緣層裂紋，在發(fā)動機停車過程中，絕緣層裂紋的導線線芯在發(fā)動機振動下，可能會出現(xiàn)短時與外部的防波管接觸，造成電纜短路[4]，此時停車電磁活門斷電，從而使燃調(diào)繼續(xù)向發(fā)動機供油，燃油從工作噴嘴噴入燃燒室，與燃燒室中的空氣摻混形成油氣。雖然按下停車開關(guān)時，燃燒室熄火，但此時發(fā)動機中的余溫仍較高，遠高于燃油的閃點溫度，因此，油氣被燃燒室或渦輪部件的余溫點燃，造成發(fā)動機復燃。電纜導線絕緣層未完全斷裂，線芯在發(fā)動機振動作用下連續(xù)多次與防波管接觸，造成停車電磁活門反復處于接通、斷開狀態(tài)，由于導線與防波管接觸時間短，不足以使油門開關(guān)完全打開。

　　此時油門開關(guān)實際開口很小，同時發(fā)動機停車過程中，隨著轉(zhuǎn)速的下降燃油壓力逐漸下降，燃調(diào)向燃燒室實際供油量很小。因此，發(fā)動機停車過程中雖然出現(xiàn)了復燃現(xiàn)象，但由于燃油流量很少，T4溫度最高只升高至279℃。發(fā)動機導線絕緣層裂紋的原因是導線所選用的絕緣層材料抗熱應力開裂能力不足，同時導線的生產(chǎn)加工過程中導線絕緣層殘余內(nèi)應力過大，在發(fā)動機長期工作過程中受到溫度交變、振動、沖擊等因素作用下，內(nèi)應力釋放，絕緣層收縮，導致裂紋萌生、擴展。

　　6故障機理驗證

　　對主電纜導通/絕緣性能進行了檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。對主電纜的所有導線絕緣層進行了目視檢查，發(fā)現(xiàn)接停車電磁活門、接扭矩滑油壓力傳感器、接直流電動滑油泵的導線上存在一定的裂紋，其中接扭矩滑油壓力傳感器、接直流電動滑油泵的導線與燃油供油無關(guān)，不會造成該故障。接停車電磁活門的導線在670mm處存在半圈裂紋，在發(fā)動機停車工作過程中導線絕緣層裂紋處的線芯有可能與導線外部防波管接觸，從而造成接停車電磁活門的線路短路。

　　7故障結(jié)論

　　綜上所述，由于接停車電磁活門的導線絕緣層裂紋，在停車過程中，導線線芯在發(fā)動機振動作用下可能會與防波管接觸，接停車電磁活門的線路被短路，燃調(diào)在停車過程中繼續(xù)向發(fā)動機供油，造成發(fā)動機停車過程中復燃。發(fā)動機導線絕緣層裂紋的原因是導線所選用的絕緣層材料抗熱應力開裂能力不足，同時導線的生產(chǎn)加工過程中導線絕緣層殘余內(nèi)應力過大，在發(fā)動機長期工作過程中受到溫度交變、振動、沖擊等因素作用下，內(nèi)應力釋放，絕緣層收縮，導致裂紋萌生、擴展。發(fā)動機停車過程中出現(xiàn)復燃后，用戶從尾噴管噴入的滅火液在渦輪內(nèi)大量沉積，沉積的滅火液粉末及燒結(jié)的塊狀滅火液填充在發(fā)動機轉(zhuǎn)子和靜子件之間，造成渦輪轉(zhuǎn)子卡滯，攀槳不動。

　　8糾正措施

　�、勹b于新導線的選材、驗證需要較長的周期，為了保障外場使用安全，發(fā)動機更換為原狀態(tài)的導線。

　　②將起動供油電磁閥更換新件，對該發(fā)動機配裝的燃調(diào)進行大修。

　�、弁鈭鏊�有使用導線的主電纜，全部更換為定型狀態(tài)的主電纜新件。

　�、転楸ＷC外場發(fā)動機的使用安全，發(fā)動機在停車時，應注意觀察發(fā)動機排氣溫度下降情況，如果出現(xiàn)排氣溫度上升的現(xiàn)象，應立即關(guān)閉飛機上的防火開關(guān)及飛機上的電動增壓泵，切斷發(fā)動機的燃油供給，并補充進行應急順槳停車，保證油門開關(guān)能夠關(guān)閉到位。

　　參考文獻：

　　[1]楊奮為.軍用電連接器的應用和發(fā)展[J].機電元件，2007，27(3)：42-49.

　　[2]南方航空動力機械公司.某發(fā)動機技術(shù)說明書[M].1981：10.1-10.28.

　　[3]吳虎.航空發(fā)動機原理[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2005：258-274.

　　[4]王芳，蔣麗.飛機電纜典型故障分析[J].航空維修與工程，2017(6)：89-90.

　　作者：李琮LICong;岳慶功YUEQing-gong;陳璐CHENLu

轉(zhuǎn)載請注明來自發(fā)表學術(shù)論文網(wǎng)：http:///dzlw/29336.html